Sistema de Análisis de Inyección Secuencial para la Monitorización de los Efluentes Líquidos Contaminados por Cromo

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"Gracias al uso de LabVIEW junto con una tarjeta DAQ ha permitido desarrollar una plataforma de ensayo sencilla y con coste reducido para la adquisición de datos, control y monitorización de un proceso químico"

- Carles Pous, Universidad de Girona-Dpto. Ing. Eléctrica, Electrónica y Automática

The Challenge:
Desarrollar una aplicación para realizar de forma automática el proceso de análisis de la medida de las concentraciones de Cr(VI) y Cr(III) en muestras. Se parte de un sistema de análisis químico secuencial, en que la secuencia de acciones de los diversos procesos se operaba de forma manual por el usuario.

The Solution:
Mediante NI-LabVIEW, una tarjeta de adquisición de datos NI-PCI-6221 y el puerto serie del ordenador, se ha desarrollado un instrumento virtual capaz de operar los diversos dispositivos del proceso (bomba, válvulas y detector espectrométrico), ejecutar un protocolo de secuencia de acciones previamente guardado y representar gráficamente y en tiempo real las medidas obtenidas

Author(s):
Carles Pous - Universidad de Girona-Dpto. Ing. Eléctrica, Electrónica y Automática
Joaquim Massana - Universidad de Girona-Dpto. Ing. Eléctrica, Electrónica y Automática
Florencio De la Torre - Universidad de Girona-Dpto. Ing. Química, Agraria y Tec. Agroalimentaria
Nuria Fiol - Universidad de Girona-Dpto. Ing. Química, Agraria y Tec. Agroalimentaria
Isabel Villaescusa - Universidad de Girona-Dpto. Ing. Química, Agraria y Tec. Agroalimentaria

1. Introducción

Actualmente resulta de gran interés mejorar el proceso de tratamiento de los efluentes industriales contaminados por cromo, intentando reducir a la vez, su coste. Las soluciones propuestas requieren de la obtención de numerosas muestras con el fin de tener suficientes datos experimentales para calcular de forma fiable los parámetros de descontaminación. Cabe destacar, además, que el cromo presenta dos estados de oxidación que deben calcularse por separado: por un lado el Cr(VI) se determina por el método de colorimetría, y por el otro, el Cr(III) se obtiene de forma indirecta calculando la diferencia entre el Cromo total medido por un espectrofotómetro y el Cr(VI). Por ello, se requiere del doble de muestras.

El desarrollo de sistemas de análisis de inyección secuencial (SIA) para la determinación del Cr(VI) y del Cr(III) han llevado a la automatización del proceso de análisis, permitiendo la determinación de la concentración de ambos tipos de cromo de forma simultánea y en tiempo real, lo que implica una agilización del proceso y una reducción del coste, ya que se requiere de menos volumen de muestras. En este sentido nace la colaboración entre los departamentos de Ingeniería Química, Agraria y Tecnología Agroalimentaria y el de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática de la Universidad de Girona.

2. Descripción del sistema

El Departamento de Ingeniería Química, Agraria y Tecnología Agroalimentaria de la Universidad de Girona dispone de un proceso que consta de una bomba, un juego de válvulas de 6 vías y un espectrofotómetro, y se requería implementar un SIA para el análisis del contenido de Cr(VI) y Cr(III) de muestras.

En cuanto a las características de los dispositivos, la bomba dispone de una entrada digital para indicar el sentido de rotación y de una entrada analógica para el control de la velocidad. El juego de válvulas de 6 vías se controla mediante 6 señales digitales, las cuales permiten abrir o cerrar cada válvula de forma independiente. Por último el espectrofotómetro dispone de un puerto serie por el que recibe las órdenes y proporciona los resultados de las lecturas de absorbancia cuando se le solicita, y con el ratio de tiempo establecido por el usuario. Este instrumento es el que limita el tiempo de adquisición, no pudiendo ser inferior a 500 ms.

3. El instrumento virtual

El sistema debe ser capaz de manejar estos dispositivos siguiendo una secuencia temporizada definida por el usuario (protocolo), mientras va mostrando la absorbancia de la muestra analizada. Una secuencia típica de acciones puede ser la mostrada en la Tabla 1. El Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática de la universidad de Girona ha diseñado y desarrollado el instrumento virtual que permite este tipo de análisis de forma automática. El hardware de este instrumento consiste en un ordenador personal con una tarjeta de adquisición de datos (NI-PCI-6221). El puerto serie del ordenador será utilizado para comunicarse con el espectrofotómetro y la tarjeta de adquisición de datos para controlar la bomba (una salida digital de la tarjeta PCI-6221 para controlar el sentido y una salida analógica para la velocidad) y el juego de 6 válvulas (6 salidas digitales de la PCI-6221).

La aplicación de usuario se ha desarrollado mediante LabVIEW 8.5 y las principales funciones que realiza son las siguientes:

1- Manipulación de los dispositivos manualmente. El usuario tiene la posibilidad de accionar cada uno de los dispositivos de forma independiente y a su merced. Puede decidir en cada momento qué válvulas abrir o cerrar, a qué velocidad debe rodar la bomba y en qué sentido, y puede especificar el tiempo de muestreo y longitud de onda que va a utilizar el espectrofotómetro.

2- Cálculo de los parámetros de calibración. Antes de realizar cualquier experimento, el sistema debe ser calibrado. Para ello se introducen en el sistema reactivos con valores patrón de concentración conocidos. Con estos datos, el sistema realiza una regresión lineal, en la que se relacionará la absorbancia medida por el espectrofotómetro con la concentración de los reactivos patrón. La expresión matemática de esta recta será la usada por el proceso para calcular la concentración de Cr (III) i Cr (total) de la muestra a analizar, a partir de la absorbancia facilitada por el espectrofotómetro.

3- Limpieza del sistema. Ya sea antes de realizar el primer experimento o si se cambia la muestra a analizar, hace falta efectuar una limpieza del proceso. Para ello, se hará correr agua por los diversos conductos y dispositivos durante un cierto tiempo. Esto implica realizar un seguido de acciones (abrir y cerrar válvulas, parar y poner en marcha la bomba, …) que se ejecutan de forma automática.

4-Ejecutar/crear un protocolo de acciones. El usuario va a definir un protocolo de acciones a realizarse secuencialmente para conseguir medir la concentración de Cr(III) y Cr (total). En este caso la aplicación facilita, mediante una interfaz amigable, la introducción y temporización de cada una de las acciones, y la posibilidad de guardar el protocolo. Al mismo tiempo, deben elegirse los parámetros de adquisición del espectrofotómetro y los parámetros de calibración a usarse. Cuando el protocolo se ejecuta, el programa empieza la secuencia de acciones y va mostrando en la pantalla la medida de la absorbancia proporcionada por el espectrofotómetro. Estos datos son también guardados en un archivo para que el usuario pueda recuperar y analizar posteriormente. Como resultado final de esta secuencia de acciones, se mostrará la concentración de Cr(III) y Cr(total) de la muestra analizada.

En estos momentos, se sigue trabajando en la aplicación y se están desarrollando nuevas funcionalidades. Entre ellas, se está dotando al sistema con la posibilidad de poder programar la ejecución de un protocolo de acciones en cada uno de los instantes de tiempo fijados por el usuario. Con ello se podrá obtener la evolución de la concentración de Cr(III) y Cr (total) con el tiempo.

 Conclusión: Gracias al uso de LabVIEW junto con una tarjeta DAQ ha permitido desarrollar una plataforma de ensayo sencilla y con coste reducido para la adquisición de datos, control y monitorización de un proceso químico. El instrumento virtual de sistema de análisis químico secuencial para la medida automática de la concentración de Cr(III) i Cr(total), ha mostrado ser muy útil al facilitar enormemente las tareas de manipulación de los dispositivos evitando así posibles errores, acelerando el proceso de 15 a 30 veces y dividiendo el gasto de reactivos por 10.

Author Information:
Carles Pous
Universidad de Girona-Dpto. Ing. Eléctrica, Electrónica y Automática
Campus de Montivili.Edf. P4
Girona
Spain
carles@eia.udg.edu

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